Observation de la charge électrique ultrarapide des liquides
Les résultats étendent l'applicabilité à divers systèmes, des membranes biologiques aux dispositifs de stockage d'énergie de la prochaine génération
Les surfaces chargées en contact avec des liquides - telles que les parois des cellules biologiques ou les électrodes des batteries - attirent les ions du liquide chargés de manière opposée. Cela crée deux régions chargées distinctes : la surface elle-même et une région contre-chargée dans le liquide : c'est ce que l'on appelle la double couche électrique. Bien qu'elle soit essentielle pour les dispositifs de stockage de l'énergie, la vitesse de sa formation est restée insaisissable. Une équipe de chercheurs a maintenant mis au point une technique basée sur la lumière pour observer ce processus ultrarapide. Les résultats valident les modèles précédents et étendent leur applicabilité à divers systèmes, des membranes biologiques aux dispositifs de stockage d'énergie de la prochaine génération.
Que ce soit dans les batteries des voitures électriques, où les porteurs de charge sont séparés pendant la charge pour fournir l'énergie nécessaire à la conduite, dans les condensateurs électrolytiques que l'on trouve dans presque tous les appareils électroniques, ou dans l'électrolyse, où l'eau est décomposée en ses composants hydrogène et oxygène : dans tous ces processus technologiques, les porteurs de charge dans les liquides doivent se déplacer vers une interface. Ces processus se retrouvent également dans les processus biologiques du corps humain et sont utilisés pour le stockage de l'énergie.
Tous ces processus ont en commun la formation d'une "double couche électrique" à une interface - aux pôles de la batterie, aux plaques du condensateur, aux électrodes de l'électrolyse ou à la membrane cellulaire. Alors qu'un côté - par exemple l'électrode - est chargé négativement, la charge positive correspondante sous forme d'ions mobiles se trouve du côté liquide. La rapidité avec laquelle ces doubles couches, dont l'épaisseur n'est que de quelques nanomètres, peuvent se former ou la rapidité avec laquelle elles réagissent à une perturbation est importante pour comprendre à quelle vitesse un dispositif de stockage d'énergie peut absorber et libérer l'énergie électrique, par exemple pour des applications telles que le chargement de batteries.
Pour un faible nombre de porteurs de charge mobiles, les modèles théoriques et les mesures ont longtemps prédit cette dynamique et peuvent décrire correctement le mouvement des ions dans cette double couche. Cependant, si le nombre de porteurs de charge augmente, comme c'est le cas dans les systèmes biologiques et comme c'est nécessaire pour les batteries, les hypothèses de ces modèles s'effondrent. La façon dont les doubles couches électriques se forment est donc restée un mystère.
"Jusqu'à présent, il n'a pas été possible d'étudier les processus exacts impliqués dans la formation de la double couche", explique Mischa Bonn, directeur du MPI pour la recherche sur les polymères. "Il n'est tout simplement pas possible d'étudier des processus qui se déroulent aussi rapidement que le mouvement des ions avec des circuits électroniques, parce que les circuits eux-mêmes ne peuvent fournir qu'une résolution temporelle limitée. Nous utilisons l'optique ultrarapide pour contourner cette limitation".
L'équipe de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères et de l'Université de Vienne a donc utilisé une méthode de mesure optique pour étudier la formation de la double couche. Pour ce faire, ils ont ajouté de l'acide à l'eau, ce qui entraîne la formation d'ions positifs (H3O+). Ces ions se placent de préférence à la surface de l'eau, où ils forment une double couche électrique. Une forte impulsion laser dans la gamme des infrarouges a été utilisée pour chauffer la surface, éliminant H3O+ de la surface et perturbant ainsi la double couche. En examinant la surface avec d'autres impulsions laser après un certain délai et en détectant la lumière réfléchie, ils ont pu quantifier la manière dont les ions s'éloignaient de la surface pour atteindre un nouvel équilibre.
Ils ont combiné leurs résultats expérimentaux avec des simulations informatiques. Ils ont ainsi pu prouver que la formation de la double couche est principalement causée par les champs électriques, même à des concentrations élevées.
La nouvelle méthodologie, qu'ils viennent de publier dans la revue Science, ouvre de nouvelles voies pour l'étude de tels processus aux interfaces dans un large éventail de systèmes chimiques et biologiques. En outre, l'équipe a constaté que même les interfaces complexes peuvent être décrites à l'aide de modèles physiques relativement simples. Ils confirment que les cadres théoriques existants décrivent la formation de la double couche avec une précision remarquable.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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